基于室內外相關性方法的混凝土氯離子擴散性研究

張立明，余紅發

ZHANG Liming, YU Hongfa

腐蝕環境下混凝土結構的早期破壞現象非常普遍,其原因是環境中自由氯離子進入混凝土內部,引起混凝土結構內部鋼筋銹蝕,同時環境中的硫酸根引起混凝土劣化,促進了自由氯離子擴散性。因此混凝土氯離子擴散性是腐蝕環境下混凝土結構壽命預測的主要考慮的因素之一,并成為國內外學者[1-4]關注的焦點。目前,對混凝土氯離子擴散性的研究主要集中在室內環境下的單一氯鹽溶液[5-8],對氯鹽、硫酸鹽復合溶液[7-11]的研究還不多見,對現場環境下[12-13]混凝土結構氯離子擴散性研究就更少了。目前對腐蝕環境下混凝土結構壽命預測主要依賴于室內試驗的結果，如果能夠建立混凝土氯離子擴散性的室內環境與現場暴露環境之間聯系,今后就可以以室內氯離子性試驗為基礎,以內外關系為紐帶,更準確地預測實際環境下混凝土結構的氯離子擴散性。因此,建立室內環境與現場環境之間聯系,利用室內外關系對氯離子擴散方程進行修正,并驗證修正模型的準確性,是本文的研究目的。最后將其應用到實際工程的壽命預測。

1 試驗計劃

1.1 原材料及配合比

水泥、硅灰、減水劑和粗細集料等原材料為項目組統一購買,其物理及化學指標見文獻[9]。混凝土構件的配合比、抗壓強度、坍落度、含氣量見表1。

1.2 試驗程序

1.2.1 室內浸泡和現場暴露試驗

腐蝕溶液為青海察爾汗鹽湖的鹵水,其化學成分見表2。

混凝土構件的配筋圖及模具見圖1,混凝土拌合后,測定其工作性后,澆筑到成型后, 在標準條件下養生28 d后,分別在室內腐蝕溶液進行浸泡試驗和國道215K617+900處進行現場暴露試驗見圖2。

圖1 構件配筋及模具尺寸

混合料水膠比原材料質量/(kg·m-3)水泥硅灰砂石子PCA?I水坍落度/mm含氣量28d抗壓強度/MPaC300533680—7351103—1957564313C500354122—687114514216016846586C80SF1002353105970810625851364635806

SF-silica fume; PCA?(I)-Sup- performance( water reducing admixture)

表2 青海察爾汗鹽湖鹵水化學成分

圖2 鹽湖暴露站

1.2.2 混凝土取樣和氯離子分析測試

混凝土構件在室內浸泡和現場環境下,分別暴露了90 d、270 d、493 d和721 d。采用如圖3所示的位置對其進行鉆孔取樣,取樣方法和化學分析方法詳見文獻[14]。

圖3 鉆孔位置布置圖

圖4 二維氯離子擴散模型

2 混凝土氯離子擴散模型及室內外轉換關系的方法

2.1 混凝土氯離子擴散理論模型

采用文獻[15]基于Fick’s第二定律推導的二維氯離子擴散理論模型：

(1)

式(1)中：L1、L2分別為混凝土梁截面的寬度和厚度；t為混凝土暴露于Cl-環境中的時間；x和y分別為L1和L2方向的擴散深度；Cf為t時刻(x,z)坐標位置處的自由Cl-含量；C0為混凝土內部初始Cl-含量；CS為混凝土表面Cl-含量,按照實測的Cf-y之間的一元二次多項回歸式計算確定；m、n為計算時的迭代次數；Dt為t時刻的混凝土表觀Cl-擴散系數,可用編制好的SAS程序計算得出,計算時取L1= 100 mm、L2= 75 mm,C0=0 、x=30 mm、y分別為2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm和22.5 mm。

氯離子結合能力計算如式(2)所示：

(2)

式(2)中:Cb為結合氯離子、Cf為自由氯離子。

2.2 室內外關系轉變的方法

選擇室內溶液浸泡為標準環境,現場暴露環境與標準環境的轉換系數用K表示：

(3)

式(3)中：Z為浸泡環境下的氯離子擴散參數；Z1為現場暴露環境下的氯離子擴散參數。

實際混凝土結構氯離子擴散參數F可用式(4)表示：

F=KZ

(4)

3 試驗結果及分析

3.1 混凝土自由氯離子結合能力R

從圖5可知：混凝土的氯離子結合能力是混凝土自身的特性,它與混凝土自身的配比有關,與試驗環境無關。隨著抗壓強度的增大而增大。

圖5 混凝土氯離子結合能力

3.2 混凝土表面自由離子含量Cs

表面自由氯離子含量是根據滴定試驗測得的平均深度為2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm和22.5 mm的自由氯離子含量。利用電子表格進行二次項回歸, 得到自由氯離子含量與擴散深度的關系式。當深度x=0時,計算得到混凝土表面自由氯離子含量CS值。從圖6可知：混凝土構件表面自由氯離子含量(CS)隨著腐蝕時間的增加先快速增加后趨于穩定,隨著混凝土抗壓強度的增加而降低,長期浸泡環境下混凝土CS大于其在現場環境下CS。

圖6 混凝土表面自由氯離子含量(Cs)與腐蝕時間的關系

混凝土表面氯離子含量可用式(5)表示：

CS=CS0(1-e-st)

(5)

式(5)中：Cs0為最大表面自由氯離子含量,CS為混凝土表面自由氯離子含量,t為腐蝕時間。

3.3 混凝土表觀氯離子擴散系數

利用式(1)可計算出,各混凝土的表觀自由氯離子擴散系數(Dt)。不同腐蝕時間表觀自由氯離子擴散系數可用式(6)[15]表示：

(6)

式(6)中：Dt為混凝土表觀氯離子擴散系數/10-7mm2s-1,D0為腐蝕28 d表觀自由氯離子擴散系數/10-7mm2s-1,t為腐蝕時間/d,t0是腐蝕時間28 d,m為時間依賴系數。

表3 混凝土氯離子擴散性參數

如圖7所示：混凝土構件的Dt隨著暴露時間的增加而下降,隨著混凝土的抗壓強度增大而降低；長期浸泡環境下混凝土Dt大于其在現場環境下Dt。

圖7 混凝土表觀氯離子擴散系數與腐蝕時間關系

4 基于室內外相關系數的修正氯離子擴散模型及驗證

余紅發教授等[15]修正的氯離子擴散方程。

(7)

引入室內相關性系數后式(7)變為下式：

(8)

式(8)中：Cf為t時刻自由氯離子含量/%,距表面距離為x處,CS0為長期浸泡環境下混凝土表面最大氯離子含量,D0為長期浸泡環境下混凝土28 d表觀氯離子擴散系數,R為氯離子結合能力,m為時間依賴系數,KC、KD和Km分別為CS0、D0和m的室內外換算系數,K為混凝土劣化系數取1,t為腐蝕時間/s。

5 模型驗證

對鹽湖現場暴露1546 d的C30、C50和C80SF10混凝土構件取樣,測定距表面深度分別2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm處的自由氯離子含量,分別用式(7)和式(8)計算各混凝土的不同深度處的自由氯離子含量。如圖8 所示：以室內長期浸泡數據為基準式(7)預測混凝土構件不同深度自由氯離子含量均大于現場實測的數據,預測數據和實測數據偏差很大；當考慮室內外相關系數時式(8),預測混凝土構件不同深度自由氯離子含量均與現場實測的數據接近,說明式(8)更適合預測鹽湖現場混凝土結構的氯離子含量。

圖8 1546 d混凝土自由氯離子含量實測值與計算值對比

6 結 語

研究了3種典型強度等級的混凝土構件在室內外環境下的氯離子擴散性,以長期浸泡環境為基準,引入室內外轉換系數K, 對二維氯離子擴散模型進行修正,并對修正模型進行了驗證,主要得到以下結論：

1)混凝土構件的Dt值隨著腐蝕時間的增加而下降,而CS值卻呈現出相反的規律,R值與腐蝕齡期無關；混凝土構件的CS、R值均隨著其抗壓強度的增加而增大,而CS值卻呈現出相反的規律。

2) 混凝土構件的氯離子結合能力(R)、表面自由氯離含量(CS)和自由氯離子擴散系數Dt的變化規律與試驗環境無關,說明混凝土構件氯離子擴散性符合室內外相關性試驗的設計原則。

3)引入室內外相關系數的修正氯離子擴散系數模型更適合預測鹽湖現場混凝土結構的自由氯離子含量。

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